Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
2 College of Materials Science and Opto-electronics Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Beijing Huairou Instruments and Sensors Co., Ltd., Beijing 101400, China
4 Beijing Institute of Automation and Control Equipment, Key Laboratory of National Defense Science and Technology of Inertial Technology, Beijing 100074, China
Integrated optical gyroscopes (IOGs) have been an efficient tool for numerous applications in various fields, including inertial navigation, flight control, and earthquake monitoring. Here, we review the progress of integrated optical gyroscopes based on two categories of integrated interferometric optical gyroscopes (IIOGs) and integrated resonant optical gyroscopes (IROGs).
integrated optical gyroscopes interferometric optical gyroscopes integrated resonant optical gyroscopes Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 031302
1 中核建中核燃料元件有限公司 宜宾 644000
2 南华大学 机械工程学院 衡阳 421001
2011年的福岛核事故暴露出锆合金包壳抗高温氧化性能的不足。为此，国际核燃料领域提出了耐事故燃料这一概念。Cr涂层锆合金包壳作为耐事故燃料包壳近期可商用的技术途径得到了广泛关注。本文旨在研究Cr涂层Zr-4合金在不同温度下的高温氧化行为，采用多弧离子镀技术制备Cr涂层Zr-4合金样品，并在800?1 200 ℃空气气氛中氧化4 h，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、能量色散谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）、电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）和掠射角X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）表征Cr涂层Zr-4合金样品在高温氧化前后的微观结构、物相等。氧化温度对Cr涂层Zr-4合金的微观组织结构、物相、Cr-Zr扩散层厚度以及氧化增重的影响分析结果显示：多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金样品表面存在大量尺寸不等的滴液，Cr涂层呈柱状晶形态生长，且沿着（110）晶面择优生长。在800?1 100 ℃高温氧化4 h后，样品表面出现不同程度的氧化，但涂层内部依然残留有未被氧化的Cr涂层，样品表面和截面没有出现微观裂纹，Cr-Zr扩散层的厚度随着氧化温度的增加呈线性规律增长，氧化增重增加缓慢。而1 200 ℃高温氧化4 h后，样品表面Cr涂层全部被氧化，表面和截面出现大量宏观裂纹，且Cr-Zr扩散层的厚度和氧化增重急剧增大。因此，采用多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金在800?1 100 ℃下表现出良好的抗高温性能，而在1 200 ℃发生了加速氧化现象。
Cr涂层Zr-4合金 多弧离子镀 高温氧化 Cr-Zr扩散 氧化增重 Cr-coated Zr-4 alloy Multi-arc ion plating High temperature oxidation Cr-Zr diffusion Oxidation weight gain
北京自动化控制设备研究所 惯性技术国防科技重点实验室, 北京 100074
无人机、机器人以及自动驾驶等领域对光纤陀螺尺寸、重量、成本综合性能提升有着迫切的需求, 具有小体积、高性能、低成本等技术优势的集成化光纤陀螺成为目前的研究热点。文章梳理了美国、俄罗斯等在集成化光纤陀螺方面的最新研究成果和产品技术动态, 从集成光学芯片设计加工、微小型高对称光纤环圈绕制、集成光学芯片与微小型光纤环圈直接耦合三个方面, 阐述了集成化光纤陀螺面临的技术和工艺难题, 分析了解决方案。最后, 展望了集成化光纤陀螺的未来发展趋势和应用前景。
集成化光纤陀螺 集成光学芯片 微小型光纤环圈 直接耦合 integrated fiber optic gyroscope integrated optical chip miniature fiber coil direct coupling
1 中国科学院半导体研究所 集成光电子国家重点实验室，北京 100083
2 中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程研究中心，北京 100083
3 中国科学院大学材料科学与光电工程中心，北京 100049
近年来，基于薄膜铌酸锂（TFLN）平台的高性能电光调制器以其小体积、低能量损耗等特点受到广泛关注。本文提出了一种新的具有垂直电极结构的Y波导铌酸锂薄膜电光调制器。研究了调制器的半波电压与缓冲层厚度之间的关系，优化了Y波导的设计参数，最后设计得到插入损耗<5 dB，半波电压<1.5 V的高性能调制器。本文不仅为基于TFLN平台的小型化波导的设计和实现提供了思路，而且为制造高性能和多功能的电光调制器提供了实验依据。
电光调制器 TFLN Y波导 electro-optic modulator TFLN Y-junction waveguide
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State Key Laboratory of Inertial Technology, Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China
This study proposes a novel interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) based on an integrated optical chip, application-specific integrated circuit, and small-diameter sensing coil. The overall size and weight of the prototype are and 68 g, respectively, making it the smallest closed-loop IFOG, to the best of our knowledge. A static experiment shows that the bias stability of the integrated IFOG is very close to the theoretical accuracy limit determined by the fiber coil and can satisfy the requirements of near-navigation-grade compact inertial navigation systems.
gyroscopes fiber optics fiber optics sensors integrated optics Chinese Optics Letters
2022, 20(4): 040601
北京自动化控制设备研究所惯性技术国家重点实验室，北京 100074
本文针对谐振式光纤陀螺应用需求，提出一种基于激光器温度和 PZT协同控制的频率跟踪锁定控制方案，综合利用激光器温度调谐所具有的大范围、PZT电压调谐的高精度高动态技术优势，实现光纤激光器中心频率对谐振腔谐振频率的跟踪锁定。进行了透射式谐振信号的数学仿真，对温度和 PZT协同控制方案进行了硬件设计和算法仿真，重点分析了频率跟踪锁定方案中控制参数对锁定稳定性的影响情况。完成了激光器频率锁定系统的研制，实现了激光器中心频率对谐振腔谐振频率的高精度、长时间跟踪锁定，常温条件下 1 h频率跟踪锁定精度为 4.8×10-9，变温条件下 5.5 h频率跟踪锁定精度低至 9.74×10-8。上述研究工作为谐振式光纤陀螺长期性能提升奠定了重要的技术基础。
谐振式光纤陀螺 频率锁定 温度调谐 PZT控制 resonator fiber optic gyroscope frequency locking temperature tuning PZT control
Author Affiliations
Abstract
1 School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 State Key Laboratory of Inertial Technology, Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China
We present a near-navigation-grade interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) based on an integrated optical chip. The chip comprises a light source, a photodiode, and a 3 dB coupler within an area of 48 mm2. By interrogating with an integrated optical modulator and a small-diameter sensing coil, the IFOG is realized. This allows for a significant reduction in size, weight, power consumption, and cost. Preliminary performance data of a gyro prototype exhibits 0.018 deg/h bias instability.
gyroscopes fiber optics fiber optics sensors integrated optics Chinese Optics Letters
2020, 18(12): 120601
基于红外光谱吸收型的气体传感器是目前最为有效、应用最广泛的瓦斯浓度测试方案。本文基于红外分子光谱学原理, 采用MEMS红外收发组件作为气体敏感部件,首先对红外气体传感器的基本原理进行了分析, 得到了探测器红外感光特性与气体浓度变化的关系, 采用C8051F040单片机作为控制核心, 完成了气体传感器总体方案设计, 提出了具有带通放大功能的信号调理电路以实现噪声抑制, 有效提高检测信噪比; 针对气体传感器的信号检测电路, 从硬件层面进行了详细的叙述, 主要包括电源管理、驱动控制、CAN总线通信、数据采集处理及控制等功能模块, 描述了信号软件设计流程和方法; 最后, 完成了信号检测电路搭建和传感器样机研制, 进行了常温条件下的CH4浓度测试, 测试结果表明研制的气体传感器测试数据与之前的分析结果完全一致, 具备高精度、微型化、低功耗的技术特点。
红外气体传感器 C8051F040单片机 带通滤波 infrared gas sensor C8051F040 MCU CAN CAN band-pass filter
北京自动化控制设备研究所惯性技术国家重点实验室, 北京 100074
针对激光器频率调谐系数测试应用的需求,提出了基于空心光子晶体光纤的激光器频率调谐系数测试装置的方案。首先,对测试装置的总体方案、光子晶体光纤谐振腔的基本结构进行设计,重点完成了激光器频率调谐系数测试方法的数值计算和机理分析;之后,完成了光子晶体光纤谐振腔的设计和加工,并搭建了激光器频率调谐系数测试装置;最后,对目前常用的窄线宽光纤激光器和半导体激光器进行频率调谐系数测试。光纤激光器的电压-频率调谐系数为17.6 MHz/V,与激光器出厂指标基本吻合,而且光纤激光器的频率调谐系数在调谐范围内具有良好的一致性。半导体激光器在调谐范围内的调谐系数不均匀,容易受环境的影响,测得电流-频率调谐系数的平均值为30.9 MHz/mA。研究结果表明,测试装置的精度远高于商用波长计,并且具有良好的长期稳定性,充分体现出了空心光子晶体光纤谐振腔作为频率基准进行频率检测所具有的测频精度高、温度漂移小的技术优势。
光纤光学 光纤光学传感器 空心光子晶体光纤 频率调谐系数 光纤激光器 半导体激光器
